球，球料比为10:1，转速为240r/min，并在球磨罐内 充入氩气保护粉末不被氧化；为了减少在球磨过程中从不锈钢罐体和磨球上引入的杂质， 每次运转30分钟后暂停15分钟以避免球磨温度过高，再反向开始运转；球磨70h后，合金 粉末成为具有非晶相和Ti3Al的TiAlNb基非晶粉末；该TiAlNb基非晶粉末的透射电镜图 如图1所示，由图1看出，本实施例制备的TiAlNb基非晶粉末除了含有原子呈规则排列的 晶体相Ti3Al外，还含有大量迷宫状的非晶相。
[0040] ⑵混粉
[0041] 将步骤⑴的TiAlNb基非晶粉末按5wt. %的比重与纯TiB2粉末进行配比，并将 混合粉末置于行星式球磨机上进行24h的混合，采用不锈钢罐体和磨球，球料比为5: 1，转 速为180r/min，每次运转30分钟后暂停15分钟以避免球磨温度过高，再反向开始运转，直 至获得非晶粉末均匀分布的混合粉末，再利用200目的分析筛过筛；
[0042] (3)烧结制备高韧性陶瓷基复合材料
[0043] 将15g步骤⑵得到的TiB2-5wt% TiAlNb基混合粉末装进内径020 mm的圆筒 形石墨模具中，用石墨纸将粉料与模具和模冲之间隔开以便于脱模，另外用一层IOmm厚的 石墨毡包覆模具以减小烧结过程中的热辐射损耗，采用低真空烧结（<3Pa)和红外测温方 式（彡570°C );烧结设备与工艺条件如下：
[0044] 烧结设备：Dr. Sintering SPS-825放电等离子烧结系统
[0045] 烧结电流类型：脉冲电流
[0046] 脉冲电流的占空比：12:2
[0047] 烧结温度 Ts :1500 °C
[0048] 烧结时间：6min升温到600°C、然后8min升温到1400°C (升温速率为100°C / min)、接着5min加热到1500°C并保温5min
[0049] 烧结压力：5〇MPa，
[0050] 对粉末进行快速烧结，即可获得相对密度为98. 6%的高韧性块体TiB2基陶瓷复合 材料。所得高韧性块体TiB2基陶瓷复合材料的扫描电镜图如图2所示，由图2可以看出： 块体TiB2基陶瓷复合材料的微观结构以块状TiB 2相为基体（灰黑色颗粒），以金属间化 合物Ti3Al和Ti2AlNb为增强相；所得高韧性块体TiB2基陶瓷复合材料的维氏硬度压痕图 如图3所示，根据Anstis公式和压痕法计算得出块体TiB2S陶瓷复合材料的断裂韧性为 10. 31MPa ·πι1/2,另外显微硬度和弹性模量分别为21. 09GPa和478. lGPa，相比于利用放电等 离子烧结制备的单相TiB2陶瓷材料所获得的断裂韧性（5. 2MPa*m1/2)，提高了近一倍。而 且，与含同样质量分数的Ti单质作为助烧剂的TiB2基陶瓷复合材料相比，其断裂韧性也提 高了 4. IMPa · m1/2。
[0051] 实施例2
[0052] (1)高能球磨制备TiAlNb基非晶粉末
[0053] 将1131、恥、〇、1和8的初始元素粉末按照原子百分比11-46.541-3恥-2〇-0· 2W-0. 2B(at. %)配料，置于行星式球磨机（QM-3SP2,南京南大仪器厂）上进行高能球磨，采 用不锈钢罐体和磨球，球料比为10:1，转速为240r/min，并在球磨罐内充入氩气保护粉末 不被氧化；为了减少在球磨过程中从不锈钢罐体和磨球上引入的杂质，每次运转30分钟后 暂停15分钟以避免球磨温度过高，再反向开始运转；球磨70h后，合金粉末成为具有非晶相 和TiAl的TiAlNb基非晶粉末；
[0054] ⑵混粉
[0055] 将TiAlNb基非晶粉末按5wt. %的比重与纯TiB2粉末进行配比，并将混合粉末置 于行星式球磨机上进行24h的湿磨混合，利用无水乙醇作为球磨介质，采用不锈钢罐体和 磨球，球料比为5:1 ;湿磨采用低能球磨模式：转速为180r/min，每次运转30分钟后暂停15 分钟以避免球磨温度过高，再反向开始运转；将湿磨后的粉末放在真空干燥箱里于70°C下 干燥，再利用200目的分析筛过筛。
[0056] (3)烧结制备高韧性陶瓷基复合材料
[0057] 将15g步骤⑵得到的TiB2-5wt% TiAlNb基混合粉末装进内径020 mm的圆筒 形石墨模具中，用石墨纸将粉料与模具和模冲之间隔开以便于脱模，另外用一层IOmm后的 石墨毡包覆模具以减小烧结过程中的热辐射损耗，采用低真空烧结（<3Pa)和红外测温方 式（彡570°C );烧结设备与工艺条件如下：
[0058] 烧结设备：Dr. Sintering SPS-825放电等离子烧结系统
[0059] 烧结电流类型：脉冲电流
[0060] 脉冲电流的占空比：12:2
[0061] 烧结温度 Ts :1400 °C
[0062] 烧结时间：6min升温到600°C、然后7min升温到1300°C (升温速率为100°C / min)、接着5min加热到1400°C并保温5min
[0063] 烧结压力：5〇MPa，
[0064] 对粉末进行快速烧结，即可获得相对密度为99. 1 %的高韧性的块体TiB2S陶瓷复 合材料；通过扫描电镜测试显示，其微观结构以块状TiBJg为基体，以金属间化合物TiAl 和Ti3Al为增强相；根据Anstis公式和压痕法计算得出断裂韧性为9. 67MPa · m1/2,另外显 微硬度和弹性模量分别为19. 50GPa和458. 5GPa ;与含同样质量分数的Ti单质作为助烧剂 的TiB2基陶瓷复合材料相比，其断裂韧性提高了 3. 46MPa · m 1/2。
[0065] 上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的 限制，其它的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化， 均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种高韧性陶瓷基复合材料，其特征在于：所述陶瓷基复合材料以细晶的陶瓷相为 基体，以金属间化合物TiAl、Ti 2AlNb和Ti3Al中的至少一种为弥散增强相。2. 根据权利要求1所述的一种高韧性陶瓷基复合材料，其特征在于：所述的陶瓷相是 指 1182、六1203、21'02或3扣。3. 根据权利要求2所述的一种高韧性陶瓷基复合材料，其特征在于：所述的陶瓷相是 指 TiB2。4. 权利要求3所述的一种高韧性陶瓷基复合材料的制备方法，其特征在于：所述制备 方法是以TiAlNb基非晶粉末作为助烧剂，采用机械球磨和放电等离子烧结相结合的成形 方法。5. 根据权利要求4所述的一种高韧性陶瓷基复合材料的制备方法，其特征在于：包括 以下制备步骤： (1) 高能球磨制备TiAlNb基非晶粉末 将Ti、Al、Nb和其它微量组元按照设计的原子百分比配料，其中Ti含量为48. 1~ 60. 8at. %，Al含量为25. O~46. 5at. %，Nb含量为3. O~10.0 at. %，其他微量组元的含 量为2. 4~4. 2at. %，置于球磨机上进行球磨，形成非晶相的TiAlNb基非晶粉末； (2) 混粉 将步骤（1)得到的TiAlNb基非晶粉末与纯1182粉末在球磨机上进行球磨混合，得到 非晶粉末均匀分布的混合粉末； (3) 烧结制备高韧性陶瓷基复合材料 将步骤（2)得到的混合粉末装入模具内，采用烧结设备进行烧结，得到高韧性1182陶 瓷基复合材料。6. 根据权利要求5所述的一种高韧性陶瓷基复合材料的制备方法，其特征在于：步骤 (1)中所述的其它微量组元是指V、Mo和B的组合或Cr、W和B的组合。7. 根据权利要求5所述的一种高韧性陶瓷基复合材料的制备方法，其特征在于：步骤 (3)中所述的烧结设备是指放电等离子烧结设备、热压烧结设备或热等静压烧结设备。8. 根据权利要求7所述的一种高韧性陶瓷基复合材料的制备方法，其特征在于：所述 的放电等离子烧结设备的烧结工艺条件如下： 烧结设备：放电等离子烧结系统 烧结电流类型：脉冲电流 烧结温度 Ts :1200°C< Ts < 1500°C 烧结时间：20~25min 烧结压力：50MPa。9. 权利要求1~3任一项所述的一种高韧性陶瓷基复合材料在结构材料制备中的应 用。
【专利摘要】本发明属于陶瓷复合材料制备技术领域，公开了一种高韧性陶瓷基复合材料及其制备方法与应用。所述陶瓷基复合材料以细晶的陶瓷相为基体，以金属间化合物TiAl、Ti2AlNb和Ti3Al中的至少一种为弥散增强相。其制备方法为：将Ti、Al、Nb和其它微量组元按照设计的原子百分比配料，置于球磨机上进行球磨，形成非晶相的TiAlNb基非晶粉末；然后将其与纯TiB2粉末在球磨机上进行球磨混合，得到非晶粉末均匀分布的混合粉末；最后装入模具内，采用烧结设备进行烧结，得到高韧性TiB2陶瓷基复合材料。本发明采用TiAlNb基非晶粉末作为助烧剂，制备的陶瓷基复合材料的综合力学性能优异，具有广泛的应用前景。
【IPC分类】C04B35/58, C04B35/622
【公开号】CN104961467
【申请号】CN201510323562
【发明人】杨超, 姚元鹏, 郭浩, 屈盛官, 李小强, 陈维平
【申请人】华南理工大学
【公开日】2015年10月7日
【申请日】2015年6月12日